伊春西林人工兴安落叶松树轮重金属含量动态-胡屾.docx

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1、学校代码 ： 10225 学 号： 学位洽文 伊春西林人工兴安落叶松树轮重金属含量动态 胡岫 指导教师姓名 ： 王晓春教授 东北林业大学 申请学位级别： 硕士 学 科 专 业 ： 生态学 论文提交日期： 2013 年 4 月 论文答辩日期： 2013 年 6 月 授予学位单位： 东北林业大学 授予学位日期： 答辩委员会主席： 论文评阅人： 彡补 #4 丈學 University Code： Register Code ： 10225 _ Y2721081 Dissertation for the Degree of Master Variation of five heavy metals c

2、ontent in larch tree rings, Xilin， Yichun， China Candidate: Hu Shen Supervisor: Associate Supervisor: Academic Degree Applied for: Speciality: Date of Oral Examination: University: Prof. Wang Xiaochun Master of Science Ecology June， 2013 Northeast Forestry University 利用树木年轮环境学分析方法，测定了伊春西林铅锌矿附近 3 块样地

3、中兴安落叶松 年轮中铅 （ Pb)、 镉 （ Cd)、 锌 （ Zn)、 铜 （ Cu)、 锰 （ Mn) 5 种重金属元素含量的变 化。结果表明 ： 5 种重金属元素中， Mn 含量最高， Cd 含量最低。近地面处年轮中 P2 样地的 Zn、Cu 含量显著高于胸高处，而 P1 样地中 Cd、 Zn 含量正好相反，其他样地中 重金属含量在近地面和胸高处差异不显著。 1966-2010 年，除 P2 样地重金属含量在年 代初期有下降趋势外，其他样地重金属元素含量均呈上升趋势，其中 P2 样地 Cd 含量下 降趋势最明显， Pb 元素在整体变化中波动剧烈， Zn 元素在部分年份中波动明显。随着 兴

4、安落叶松年轮宽度增加，Pb 含量降低， Cd 含量在 P1 样地降低而在 P2 样地升高，剩 下的 3 种元素在 PI、 P2 均增加，P3 样地增加与降低都具备。 Pb 含量和其他元素含量关 系在近地面和胸高处存在一定差异，近地面处 Pb 含量与其他 4种元素含量大多都呈 正 相关趋势，尤其是在 P1样地显著正相关，而在胸高处不显著，除 Cd 外呈正相关，而 Cd 含量随 Pb 含量増加而显著下降。 PI、 P3 样地与降水量有着一定的关联，而 P2 样地 则比较差，重金属元素中 Pb、 Cd、 Cu 有随着降水而变化的趋势。温度上除 Cu 与温度 有较好的同步性外其他重金属元素均没有明显变

5、化。兴安落叶松年轮中重金属元素含量 变化受西林铅锌矿产量和采矿活动影响，因此可利用年轮中 Pb 含量重建采矿历史。目 前， Pb 含量已经对周围环境造成污染，如继续开采，应加强对尾矿中重金属元素治 理。 关键词铅锌矿兴安落叶松年轮 重金属元素 Abstract Five kinds of heavy metal (lead-Pb, cadmium-Cd, zinc-Zn, copper-Cu, and manganese- Mn) concentration in tree rings of Larix gmelini of three sample plots near Xilin Lead

6、-zinc Mine, Yichun, China were measured and analyzed by using dendro-environmental methods. The results show that Mn concentration in tree rings of Larix gmelini is the highest of the five heavy metals, while Cd is the lowest. Concentrations of Zn and Cu in Larix gmelini tree rings near the ground o

7、f P2 are significantly higher than those at the breast height, while the concentrations of Cd and Zn of PI is on the contrary and the difference of other heavy metals concentration near the ground or at the breast height is not significant. During the period of 1966-2010, there is a downtrend for he

8、avy metal concentration of P2 while other heavy metal concentrations is on the increase. The decrease of Cd concentration of P2 is the most obvious; the fluctuation of Pb is quite drastic in the overall change; the fluctuation of Zn in some years is obvious. With the increase of tree ring width, the

9、 concentration of Pb decreases; the concentration of Cd decreases at PI and increases at P2; the concentration of Zn, Cu and Mn increase at PI and P2; there are both increase and decrease at P3. There exist some differences of the concentration of Pb and other heavy metals near the ground or at the

10、breast height. The concentration of Pb and other four mentals near the ground show the positive correlation, especially at PI which shows the significant positive correlation. However, breast height is not significant, except Cd was positively correlated, and Cd concentration decreased significantly

11、 with the Pb concentration increased. The concentration of PI and P3 has close relationship with the amount of precipitation. The figure of P2 is relatively bad with Pb, Cd and Cu shows the trend of changing with the amount of precipitation. In terms of temperature, except Cu that is synchronous wit

12、h temperature, there is no obvious change of other heavy metals. Variations of heavy metal concentrations in tree rings of Larix gmelini may be influenced by the production and mining activities of of Xilin Lead-zinc Mine, so the Pb concentration can be used to reconstruct the mining history. In pre

13、sent, Pb concentration has polluted surrounding environments near Xilin Lead-zinc Mine. Therefore, heavy metals processing in the tailings should be strengthened if the Mine continues to be mined. Keywords Lead-zinc Mine Larix gmelini Tree rings Heavy metal mm . i Abstract . II 1 m： . 1 1.1 研宄背景 . 1

14、 1.2 树轮重建重金属污染历史研宂进展 . 3 1.3 本文研究目的及意义 . 5 2 研究区域财与研究方法 . 7 2_1 采样麵 . 7 2.2 自然条件 . 7 2.3 采样与年表建立 . 8 2.3.1 采样与预处理 . 8 2.3.2 交叉定年与年表建立 . 8 2.3.3 重金属含量的测定 . 8 2.4 统计分析 . 9 3 1 3.1 重金属元素年际动态 . 10 3.2 重金属含量与径向生长关系 . 17 3.3 5 种重金属含量关系及铅矿的影响 . 22 3.4 年表分析 . 27 3.5 气候对树轮中重金属含量的影响 . 34 35.1 降水、轮指数、重金属含量年际动态

15、关系 . 34 3.5.2 温度、年轮指数、重金属含量年际动态关系 . 39 结论 - 48 参考文献 . 49 攻读学位期间发表的学术论文 . 54 m . 55 1 绪论 1.1 研究背景 当今社会生活中金属制品己成为不可或缺的组成部分之一，我们在关注其外形和功 用之余，也应关注开采金属过程中对周边环境造成的破坏。矿区的勘探，开采，冶炼甚 至关闭后，矿业活动都会对人们的生活环境带来长时间，甚至是不可逆转的污染。 矿石的利用在人类发展的历史上起着至关重要的作用，随着能源的需求量日益增 大，对矿石的开采量也随之加大，但紧接着我们就面临着采矿带来的负面环境问题，这 种负面影响越来越受到社会的广泛

16、关注，探索采矿给生态环境带来的负面影响并采取一 定措施减小这样的负面影响己经成为当务之急。在开采和冶炼矿石的过程中，由于环保 意识薄弱，开采技术不先进，后续处理技术不完备，开采 &程中都会产生尾矿废液 1, 根据统计平均数字显示，每开采 1 吨矿石，就会产生 0.42 吨废石， 0.52 吨尾矿， 0.04 吨 冶炼废渣，只会得到 0.02吨有用物质 2。随着开采年数的增加和年常量的增大，产生大 量的生产酸性废水，这些废水含有大量的重金属离子，直接对矿区周围河流，田地造成 危害，经过多年的积累，生态环境面临前所未有的破坏。水土流失、土地荒漠化、生态 失衡都是采矿过程中会对环境造成的问题，这不仅

17、对矿山本身的发展起到了限制作用， 也对附近居民的长治久安带来了极大的安全隐患。 重金属污染通常是指几种重金属的综合污染。重金属通过不同渠道进入到土壤中， 植物体中，而当植物处于重金属污染 的环境中时，重金属污染可以通过植物表面进行挥 发，稀释到大气中，可以通过植物过滤将重金属固定在植物体内，也可以通过植物钝化 来降低重金属污染的毒性 3。重金属污染来源广泛，采矿、污水灌溉、金属加工等人为 因素均会对环境造成污染 4。重金属进入人体后不易被新陈代谢所排出体外，可通过平 时所吃食物，饮水等逐渐在人体内富集，造成慢性中毒， As、 Pb、 Hg、 Cd 都是危害较 大的有毒重金属。土壤遭到重金属污染

18、后，污染物在土壤中不易移动，存在时间比较 长，并且微生物不能对它进行降解，由此对周围植物，树木及农作物进行 污染。 Pb 是植物的非必需元素，植物被动地吸收铅元素后会对植物本身产生毒害，对呼 吸作用产生抑制，从而降低呼吸强度，阻碍贮藏物质的分解和生长物质的合成。轻则代 谢紊乱、生长受抑制，重则植物死亡 5。铅胁迫下有机化合物将光能转变化学能会受到 影响，光合酶活性受到抑制，叶绿体结构发生明显变化 67。 Pb2+会降低 POD、 CAT、 SOD3 种酶的协同作用，破坏它们之间的活性比平衡，引起生理生化过程紊乱 8。 Cd 对植物的影响包括生长发育、产量及品质并造成植物体内 Cd 的残留，对叶

19、 绿体酶造成破坏，对光合作用产生不利影响 1G。 Cd2+胁迫对叶片膜脂过氧化水平和质膜 相对特性影响显著，导致膜损伤，表现出透性增加 11，还会抑制硝酸还原酶活性，影响 硝酸盐的吸收，使氮代谢紊乱，对植物造成毒害 12。 Zn 是植物生长所必需的微量金属元素，但吸取的 Zn 含量过高会导致植物锌中毒， 影响Fe 的吸收，造成生长障碍 13。 Zn 主要从影响根的生长而影响植株的物质积累 14。 也能抑制吲哚乙酸的合成，刺激吲哚乙酸氧化酶的活性，使吲哚乙酸快速分解，从而生 长素的含量下降，阻碍植物生长 15。 Cu 参与植物的光合作用，以 Cu2+和 Cu+的形式被植物吸收，它可以畅通无阻地催

20、 化植物的氧化还原反应，从而促进碳水化合物和蛋白质的代谢与合成，使植物抗寒、抗 旱能力大为增，微量的 Cu 能促进植物的生长，而过量的 Cu 则抑制生长 16。一旦 Cu 元 素在植物体内过多时，使叶绿体酶活性比例失调 17，抑制叶绿体中光合电子传递，阻碍 光合作用中 co2的固定 18。 Mn 是植物所必需的微量元素，维持光合作用是其重要的生理功能之一。它不仅是 酶的组成成分，还是酶的活化剂 191。但过量的 Mn 也对植物造成毒害作用，如大量活性 氧的产生对植株造成氧化损伤 M和抑制 Fe、 Mg 等元素的吸收和活性，破坏叶绿体结 构、降低光合速率 21。高剂量的 Mn2+表现出 Horm

21、esis 效应，即对根的伸长产生抑制作 用 气 表 1-1 近年公开报道的重金属污染事件 Table 1-1 Publicly reported heavy metal pollution incidents in recent years 时间 地点 重金属 危害 来源 2004 河南沈丘 氟化物、 Mn、 Fe 井水氟化物超标率达 89.5% 屮原新闻网 2005 广东北江韶关 Cd 7K 体中镉超标近 1倍 新华网 200B 广西河池 As 饮水中砷超标 新华网 2008 云南大屯海 As 超过国家标准倍 昆明偵息港 2009 湖南浏阳 Cd、 As 砷超标 1000 多倍 中新社 20

22、10 湖南嘉禾 Pb 泥土铅含量超标 5.52 倍 新华网 2010 四川隆昌 Pb 血铅含量异常 49 人 新华网 2011 陕西凤翔 Pb 交通干线高出其他地区 6.3 倍 新华网 2012 广西龙汀河 Cd 水体 Cd 超标最高达 80 倍 新浪网 重金属污染对植物的生长发育有着重要的影响，表面上是远离市区的植物受到污染 而通过食物链传播，最终会损坏到人类的生存环境以及自身健康。随着植物学、生态学 和环境科学的综合研宄，重金属污染可以利用水体、土壤和植物来研宄。水体、土壤和 植物分别对于周围的重金属污染有一定的相应 23。 兴 安 落 叶 松 ( Rupr.)是我国重要的用材林树种之一，

23、其耐寒冷，喜 光照，生命力强的浅根性树种。对水分要求较高，生长速度与土壤中营养条件关系密 切，在水分不足或过多、通气不良的土壤条件下，长势明显下降，甚至死亡 24。落叶松 通常为单一树种的纯林，有时也与冷杉等其他树种形成混交林。兴安落叶松也是具有相 当高的经济价值，土木工程，家具，造纸等都以其为原材料。 从树木年轮中污染物的浓度高低中，可以揭示周围环境的污染指标 25。兴安落叶松 林所处的地理位置成为了本文研宂的绝佳树种，我们可通过分析兴安落叶松在污染状况 下的生长状态来对矿区各重金属对环境污染所造成的危害进行总结。 1.2 树轮重建重金属污染历史研究进展 树木年轮因能提供精确到年、甚至季节的

24、环境变化信息，而受到科学家们的高度重 视 26。他们利用树木年轮中重金属元素含量的变化进行环境污染研宄，例如 ， Guyette 等 27分析了铅笔柏 Wrgfn/ana)年轮中 Cd和 Pb含量变化，并且把 Pb含量的 增高与 Pb污染联系起来； Lepp28运用年轮化学方法监测环境中痕量金属元素的长期变 化，提出了树木年轮化学的概念 。 Baes III 和 McLaughlin29研究美国田纳西州橡树岭和 大烟山国家公园的 8 种落叶树和 6 种针叶树年轮后发现，近 25 年来，树木年轮生长的 衰退和年生长量下降均与附近冶炼厂排放的废气、废物有关。 Fakayode 等 33分 析了南京

25、市 3 种行道树年轮中重金属元素含量，指出城市主干道重金属污染和机动车增 加有很大关系；旷远文等 34分析了珠江三角洲马尾松 mayjomVwja)年轮重金属 元素含量年代变化，其中 6 种重金属元素含量均有所增加，利用马尾松年轮化学 分析来 重建区域污染从生物学角度提供了途径；苏守香等 35对合肥城区臭椿 a/feyfwa) 60 年年轮 Pb 含量动态分析，得出工业及城市发展是导致年轮 Pb 含量增加的 主要原因；蒋高明等 36通过油松 （ Pinwfah/ae/omis)年轮分析了承德市的重金属污染 历史，指出 1980 年后，树轮中 Mn、 Pb 含量明显增加，尤其是大气中 S02含量

26、的增 加，导致油松大量死亡。近几年相继开展了利用年轮分析矿区环境污染研宄，如刘禹等 3738对西安东郊钢铁厂附近树木研宂发现，随年代增加，树木年轮中的重金属元素含量 均有所增加，且不同重金属元素的迁移特征不同；段沛生等 39测定了云南会泽铅锌矿基 地填杨年轮中 Pb、 Cd、 Zn 的含量，推断出 1970-1983 年会泽铅 锌矿的历史污染状况；徐海 4PbCuCd,不同部位累积量大小为：细根 粗根 叶子 枝条，并认为不同重金属的 累积有相互促进作用， Zn、 Cd 与 Pb 的累积量存在明显的促进作用。王庆仁等 45对北京 石景山区、河北唐山市钢铁厂、辽宁省青城子铅锌矿、深圳工业区等 7

27、个工业区及城市 生活污水灌溉区进行采样分析，土壤的 PH 值也会影响重金属污染地区中植物及树木受 害程度， PH 值越低，植物吸收重金属元素则越多，反之，土壤中重金属不容易对生态 系统造成危害。喻斌等 46对油松轮宽及 Pb、 Cr、 Zn、 Ni 等 19 种元素的年代变化和沈 阳的工业发展做对比，发现轮宽和元素变化准确反映沈阳城市的发展状况。 除了树木，土壤、水体重金属污染方面也是现今研宄的主要方向。 Merringt n47认 为重金属通过空气和河流对土壤进行污染，并对废弃的铅锌矿区尾矿堆积地和该地区没 有尾矿堆积的湖泊堆积物进行 As 和 Pb 的测定，结果表明尾矿堆积地区的重金属含量

28、浓 度远远高于湖泊，说明该地区的 Pb、 As 污染是由矿区尾矿所造成的。通过收集不同时 间的以色列高速公路附近的气溶胶样品并进行铅的同位素检测，认为高速路附近土壤中 所含的铅元素大多为汽车尾气所造成的，并且随着深度的增加，铅含量有所降低 48。 Lin 等 49通过对瑞 典中部工业区土壤中的灰壤进行取样分析， Pb 浓度随着距离废物堆的 增加而降低，铅和砷会通过风来传播，虽然距离很短，但仍存在对人们生活环境的威 胁。 Ga 丨 lego 等 5()通过多变量方法对 Avil6s工业区中锌矿附近的土壤进行分析，认为土 壤中锌元素的富集受锌矿开采的影响较为强烈。美国西部 Clark Fork 河

29、盆地经过百年的 Cu 开采， 600km2的土地被污染，尾矿中 Cd、 Cu、Pb、 Zn 等重金属元素比其他地区的 正常岩石高出几百上千倍 51。墨西哥 Santa Maria de La Paz 的重金属矿带经过约 200 年 的矿山开发导致附近蔬菜叶中 Pb 和 Cd 含量超出正常水平的 50 和 20 倍 52。 廖国礼 53】 按内梅罗综合指数评价，土壤重金属污染程度为：尾矿 运输 沉降 废 水，认为尾矿库是重金属污染周边环境的主要源头，采矿活动的治理和控制重金属污染 应把重点放在尾矿污染区。曹建荣等 54对聊城 136 个土壤监测点的重金属含量进行分析 研宄 .通过主成份分析和聚类

30、分析等方法，对照国家土壤环境质量标准值得出影响重金 属分布首先为工业污染，其次是农 药和农业化肥污染，最后是成土母质。张敏 55对工业 区污水排放的长江铜陵段进行了枯水期和丰水期的水样检测，认为在枯水期时， Pb 的 溶解态、稳定态， Zn的溶解态， Cu 的溶解态， Cd 的溶解态、稳定态较高，丰水期时 Pb 的活跃态， Zn 的活跃态、稳定态， Cu 的活跃态、稳定态， Cd 的活跃态较高。悬浮 物的吸附能力顺序为 PbCuZnCd。孙华等 56对江西省贵溪冶炼厂附近菜地进行采样 调查及分析，结果表明菜地土壤己经受到重金属严重污染， Cd、 Cu 含量超标，所产出 的农作物己不适于食用。张

31、超兰等 57对南京市多个主要菜区土壤进行重金属含量检测， 从污染综合评价结果得出 12 个样地中有 10 个样地， 83.3%的土壤样品重金属含量达到 轻度污染，其中 3 个样点达到中度污染，污染源则是长年使用垃圾肥、污水灌概及大气 沉降。薛喜成等 581 通过采集秦岭安河铅锌矿区附近的地表水和沉积物样品对 Cu、 Pb、 Zn、 Cd、 Cr 等五种重金属进行测定分析，得出下游地表水重金属浓度高于上游和中游 并且严重超标，上游沉积物和中、下游沉积物重金属污染指数分别达到 II 级和 III 级污 染。杨秀贵和冯一鸣 59利用 X-ray 荧光分析法对重 庆市秀山锰矿区、尾矿区的土壤样 本，通

32、过单因子指数法、地累计指数法和潜在生态指数法得出矿区所受 Mil污染程度较 为严重 ， Cr、 As、 Ni 为轻污染。 植物对于重金属污染的来源主要是土壤中的重金属，而木本植物对于土壤中的重金 属有较高的吸收率并存储在植物体内。当土壤中重金属浓度增高时，木本植物中的重金 属含量也随之升高，但是根据木本植物中各个部位的敏感度不同，导致了木本植物体中 各个部位的重金属含量略有差异，如 Zn、 Cu、 Cd 有利于 Pb 的解吸， Cd、 Cu、 Zn、 As、 Pb 交互作用促进 Cd、 Pb、 Zn 的活化，抑制 As 吸收， Pb、 Zn、 As 存在有利于土 壤中 Cd 的解吸和植物的吸收

33、 6a61。 著名的超大型锡多金属矿田为与刁江流域上游，不 合理的矿产资源开发及排放为刁江流域环境带来了严重的重金属污染，导致刁江 1百 公里河段内鱼虾绝迹， 3km2的农田被污染，宋书巧等 62对该流域污染严重的金洞村调 查取样，得出此地农田受 As、 Pb、Zn、 Cd 复合污染。 1.3 本文研究目的及意义 本文立足弥补东北兴安落叶松受铅锌矿藏开发所带来的重金属污染变化影响的研宄 不足。我国对重金属矿产开采的研宄常集中在植物修复、农作物污染方面，近年来利用 树木年轮化学的方法研宄重金属污染对树种生长、发育的影响的文献很有限。本文将利 用树木年轮学的基本原理对伊春市西林区铅锌矿附近重金属污染对兴安落叶松生长的影